CN113156212B - 交流自平衡电桥的直流偏置输出***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***和方法。交流自平衡电桥的直流偏置输出***包括：电源模块，包括电力接口；直流电压源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块；直流电流源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于分别连接于所述自平衡电桥的待测器件的高电势端和低电势端；控制模块，连接于所述直流电压源模块和直流电流源模块。本发明通过直流电压源模块向交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压；同时，通过直流电流源模块向平衡电桥的待测器件的两端施加直流偏置电流，实现在交流自平衡电桥中向待测器件施加较高的直流偏置电压电流。

Description

交流自平衡电桥的直流偏置输出***和方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，特别是涉及一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***和方法。

背景技术

阻抗是电路中的电阻、电容与电感对电流起到的阻碍作用，是描述电子电路、电子器件、电子器件制造原料特性的重要参量。随着电子技术的不断发展、人类对于电子设备使用需求的不断拓宽与深入，电子电路的发展向着提高集成度、降低功耗、提升性能、加强稳定性的目标前进。在这样的发展背景下，阻抗测量成为助力研究与发展的重要技术。

直流偏置源在阻抗测量技术中的重要作用体现在电容、电感以及半导体器件的阻抗分析中。对于电容而言，特别是高K值陶瓷电容，达到一定程度的直流偏压将导致电容器的电容值发生显著的改变。对电感而言，受到外部磁场的作用，磁芯内的小磁畴转向外部的磁场方向，当外部磁场撤去时，一部分偏转方向较小的小磁畴能够回到原方向，又有一部分偏转方向较大的磁畴由于无法克服磁畴壁的摩擦力，不能恢复到原有的状态，而这部分的能量最后转变为热能，即是磁滞损耗。当存在直流偏置电流时，产生的偏置磁场使一些磁畴发生刚性转动，另一部分的与磁畴壁的摩擦力增大，则表现出磁滞损耗增大的特性。

对于常用的宽范围高精度自平衡电桥法测量阻抗技术中，如何有效地向待测器件施加所需的电压或者电流直流偏置有以下难点：

1)在交流自平衡电桥中要将交流电压激励信号输出调整为交流电压叠加直流电压的激励信号输出。

2)对于大多数直流偏置情况下的阻抗测量情景而言，往往需要仪器具有较强的直流偏置输出能力，对于直流偏置电压而言，从几伏到几十伏的直流偏置输出范围都是常用的，因此在自平衡电桥的设计中不仅需要考虑如何将交流信号与直流偏置叠加，还要考虑在大幅值的直流偏置下如何保持电路***的稳定性和准确性。

3)常用的信号叠加方案，如使用运算放大器加法电路的方案，处于深度负反馈状态的运算放大器将导致交流信号源同时需要具备一定的直流驱动能力来电流以维持“虚短”状态，而如果通过增加隔直电容以隔绝直流信号对交流信号源输出端影响的方案，由于电容阻抗与频率相关，运算放大器输出电压信号的增益倍数也会随着信号频率而发生改变，从而影响道输出信号的精度。此外由于运算放大器的非理想化，无法同时兼顾大输出电压幅值和高增益带宽积，因此在宽范围、高精度的阻抗测量应用场景中，传统模拟方法的交直流叠加方案是难以满足实际需求的。

4)对于能够满足通用阻抗测量需求的阻抗测量***而言，不仅需要能够提供直流偏置电压，以满足电容在直流偏置下特定阻抗参数的测量需求，也要能够提供直流偏置电流，以满足电感在直流偏置下特定阻抗参数的测量需求。直流偏置电压需要的是能达到几十伏的电压，这种较高的电压是大大超出一般电子测量***工作电压的；直流偏置电流需要的是能达到百毫安到安级别的电流，这就需要直流偏置***具有较强的驱动能力。所以对于一个能够满足通用阻抗测量需求的阻抗测量***而言，其直流偏置输出***既要能做到输出大电压，又要能输出大电流，这样的仪器电路结构是有很高要求的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供了一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***和方法，在保证子平衡电桥的稳定性和准确性的前提小，能够满足阻抗测量中对高电压、大电流偏置的要求。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***，包括：

电源模块，包括电力接口，所述电力接口用于连接于电网；

直流电压源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块，所述直流电压源模块用于向所述交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压；

直流电流源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于分别连接于所述自平衡电桥的待测器件的高电势端和低电势端，所述直流电流源模块用于向自平衡电桥的待测器件施加直流偏置电流；

控制模块，连接于所述直流电压源模块和直流电流源模块，用于控制所述直流电压源模块的直流偏置电压，以及用于控制所述直流电流源的直流偏置电流。

根据本发明实施例的交流自平衡电桥的直流偏置输出***，所述电源模块包括多个电源转换电路，所述电源转换电路输入端连接于所述电力接口，输出端分别连接于所述直流电压源模块和直流电流源模块，以为所述直流电压源模块和直流电流源模块提供电源输入。

根据本发明实施例的交流自平衡电桥的直流偏置输出***，所述控制模块包括至少一嵌入式处理器芯片或者FPGA芯片，所述控制模块还用于与上位机连接以交互数据。

根据本发明实施例的交流自平衡电桥的直流偏置输出***，所述直流电压源模块包括：

参考电压模块，连接于所述控制模块，用于在所述控制模块的控制下产生一参考电压；

电压调整模块，连接于所述参考电压模块和控制模块，用于在所述控制模块的控制下，将所述参考电压调整为所述直流偏置电压；

电源输出模块，包括公共端，所述公共端连接于所述电压调整模块，所述公共端还用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块的GND端，使得所述电源输出模块在所述直流偏置电压上向所述交流电压激励输出模块提供电源信号。

根据本发明实施例的交流自平衡电桥的直流偏置输出***，所述直流电流源模块包括：

直流电流源发生模块，连接于所述电源模块，用于输出具有预设幅值的直流电流信号；

直流电流源偏置接入模块，与所述直流电源源发生模块连接，用于连接于所述待测器件的两端，根据所述直流电流信号向所述待测器件施加直流偏置电流。

根据本发明实施例的交流自平衡电桥的直流偏置输出***，所述直流电流源发生模块包括直流电源，所述直流电流源偏置接入模块包括连接于所述直流电源的正极的第一电感和连接于所述直流电源的负极的第二电感，所述直流电源的正极通过所述第一电感连接于所述待测器件的高电势端，负极通过所述第二电感连接于所述待测器件的低电势端。

依据本发明提出的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出方法，包括以下步骤：

通过电源模块向直流电压源模块和直流电流源模块供电；

控制模块控制所述直流电压源模块向自平衡桥的交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压；以及，

所述控制模块控制所述直流电流源模块向自平衡桥的待测器件的两端施加直流偏置电流。

依据本发明提出的直流自平衡电桥的直流偏置输出方法，所述控制所述直流电压源模块向自平衡桥的交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压的步骤包括：

所述控制模块控制所述直流电压源模块的参考电压模块输出一参考电压；

所述直流电压源模块的电压调整模块将参考电压模块输出的参考电压调整为所述直流偏置电压；

所述直流电压源模块的电源输出模块向所述交流电压激励输出模块提供电源信号，其中，所述电压调整模块向所述电源输出模块的公共地和自平衡电桥的交流电压激励输出模块的GND端输出所述直流偏置电压，使得所述电源信号具有所述直流偏置电压的电压值的偏置。

依据本发明提出的直流自平衡电桥的直流偏置输出方法，所述直流电流源模块向自平衡桥的待测器件的两端施加直流偏置电流的步骤包括：

所述直流电流源模块的直流电流源发生模块接收所述电源模块的供电，输出具有预设幅值的直流电流信号；

所述直流电流源模块的直流电流源偏置接入模块根据所述直流电流信号向待测器件的两端施加所述直流偏置电流。

依据本发明提出的直流自平衡电桥的直流偏置输出方法，还包括：所述控制模块与上位机交互数据。

借由上述技术方案，本发明具有如下优点和有益技术效果：

1)通过直流电压源模块向交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压，能够在交流自平衡电桥中向待测器件施加较高的直流偏置电压；同时，通过直流电流源模块向平衡电桥的待测器件的两端施加直流偏置电流，实现在交流自平衡电桥中向待测器件施加较高的直流偏置电压电流。

2)简化了施加直流偏置电压的设计，无需专门的交直流信号混合电路，无需考虑交流信号激励与直流偏置激励输出的相互影响，并且在施加大幅值偏置电压的情况下也能保持自平衡电桥电路***的稳定性和阻抗测量结果的准确性。

3)满足了同时具备直流偏置电流输出功能的需求，并且在施加直流偏置电流的测量中既能够防止自平衡电桥的交流电压激励输出影响到直流电流源模块，同时能够保护向待测阻抗施加的直流电流偏置信号不影响到自平衡电桥的其余部分，同时能够防止阻抗过程中不正确操作所导致电流过大损伤待测器件或者自平衡电桥。

附图说明

图1是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***一种实施例框图。

图2是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电压源模块的实施例框图。

图3是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电压源模块的电路示意图。

图4是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电流源模块的实施例框图。

图5是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电流源模块的电路示意图。

图中：

10：电源模块；20：控制模块；30：直流电压源模块；31：参考电压模块；32：电压调整模块；33：电源输出模块；40：直流电流源模块；41：直流电流源发生模块；42：直流电流源偏置接入模块；50：交流电压激励输出模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***一种实施例框图。如图1所示，交流自平衡电桥的直流偏置输出***包括电源模块10、控制模块20、直流电压源模块30和直流电流源模块40。

在图1示出的实施方式中，电源模块10包括电力接口，所述电力接口用于连接于电网，将接入的用电转换为自平衡电桥阻抗测量***各方面用电供给，并且与直流电压源模块30和直流电流源模块40相连，为其提供所需电源。本实施方式中，所述电源模块10包括多个电源转换电路，所述电源转换电路输入端连接于所述电力接口，输出端分别连接于所述直流电压源模块30和直流电流源模块40，能够将外部用电输入转换为交流电桥及直流偏置源***的供电电源，为所述直流电压源模块30和直流电流源模块40提供电源输入。

所述控制模块20可以是片上***(SoC：System-on-a-chip)，包括至少一嵌入式处理器芯片或者FPGA芯片。本实施方式中，控制模块20连接于所述直流电压源模块30和直流电流源模块40，用于控制所述直流电压源模块30的直流偏置电压，以及用于控制所述直流电流源的直流偏置电流。此外，所述控制模块20还用于与上位机连接以交互数据，与外部进行通讯，完成上位机控制或者实现人机交互等功能。

直流电压源模块30的输入端连接于所述电源模块10和控制模块20，输出端用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块50，用于向所述交流电压激励输出模块50输出的激励信号施加直流偏置电压。

图2是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电压源模块30的实施例框图。如图2所示，所述直流电压源模块30包括参考电压模块31、电压调整模块32和电源输出模块33。参考电压模块31连接于所述控制模块20，用于在所述控制模块20的控制下产生一参考电压。

图3是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电压源模块30的电路示意图。如图3所示，电压调整模块32连接于所述参考电压模块31和控制模块20，用于在所述控制模块20的控制下，将所述参考电压调整为需要向待测器件DUT施加的所述直流偏置电压。电源输出模块33用于根据所述电压调整模块32的输出电压，向自平衡电桥的交流电压激励输出模块50提供电源，电源输出模块33包括公共端COM，所述公共端COM连接于所述电压调整模块32，所述公共端COM还用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块50的GND端，此时交流电压激励输出模块50输出的交流电压相对于自平衡电桥的地平面从输出起就处于与一定数值直流偏置电压相叠加的状态，输出信号施加到待测器件DUT上也就包含了直流偏置的成分，该直流偏置电压的数值即直流偏置电压模块中电压调整模块32输出到电源输出模块33公共端COM的电压值，也即将交流电压激励输出模块50电源公共平面相对于自平衡电桥电源地平面改变的电压值。这样，所述电源输出模块33在所述直流偏置电压上向所述交流电压激励输出模块50提供电源信号。因此，该电源的公共地端的电压值相对于自平衡电桥其余部分的公共地的电压值相差所述直流偏置电压的电压值，即，所述交流电压激励输出模块50的输入电源存在该直流偏置电压值的偏置。不妨假设自平衡电桥的交流电压激励输出模块50的输入电源的电压值为U，直流偏置电压的电压值为U1，自平衡电桥的公共地的电压值为U0，则：

U＝U1+U0；

U2＝U1。

其中，U2为自平衡电桥的交流电压激励输出模块50的公共地的电压值。

直流电流源模块40的输入端连接于所述电源模块10，输出端用于分别连接于所述自平衡电桥的待测器件DUT的高电势端和低电势端，用于向自平衡电桥的待测器件DUT施加具有预设幅值的直流偏置电流。

图4是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电流源模块40的实施例框图。如图4所示，所述直流电流源模块40包括直流电流源发生模块41和直流电流源偏置接入模块42。直流电流源发生模块41连接于所述电源模块10，用于输出具有预设幅值的直流电流信号。直流电流源偏置接入模块42与所述直流电源源发生模块连接，用于连接于所述待测器件DUT的两端，根据所述直流电流信号向所述待测器件DUT施加直流偏置电流。直流电流源发生模块41通过直流电流偏置接入模块与自平衡电桥的待测阻抗两端相连，从而向待测阻抗施加所需的直流电流偏置。直流电流偏置接入模块能够防止自平衡电桥的交流电压激励输出影响到直流电流源模块40，同时能够保护向待测阻抗施加的直流电流偏置信号不影响到自平衡电桥的其余部分，同时能够防止阻抗过程中不正确操作所导致电流过大损伤待测器件DUT或者自平衡电桥。

图5是本发明所述的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***中直流电流源模块40的电路示意图。作为示例性的，如图5所示，所述直流电流源发生模块41包括直流电源，所述直流电流源偏置接入模块42包括连接于所述直流电源的正极的第一电感L1和连接于所述直流电源的负极的第二电感L2，所述直流电源的正极通过所述第一电感L1连接于所述待测器件DUT的高电势端，负极通过所述第二电感L2连接于所述待测器件DUT的低电势端。第一电感L1和第二电感L2的通直流、隔交流作用能够使直流偏置电流输出正确施加到待测器件DUT两端，同时防止向待测器件DUT施加的交流激励通过电路流入直流电流源发生模块41。

以下详细描述利用直流自平衡电桥的直流偏置输出***实现的直流自平衡电桥的直流偏置输出方法，该输出方法包括以下步骤。

首先，通过电源模块10向直流电压源模块30和直流电流源模块40供电；

然后，控制模块20控制所述直流电压源模块30向自平衡桥的交流电压激励输出模块50输出的激励信号施加直流偏置电压。其中，本步骤中，所述控制模块20控制所述直流电压源模块30的参考电压模块31输出一参考电压。然后，所述直流电压源模块30的电压调整模块32将参考电压模块31输出的参考电压调整为所述直流偏置电压。接着，所述直流电压源模块30的电源输出模块33向所述交流电压激励输出模块50提供电源信号，其中，所述电压调整模块32向所述电源输出模块33的公共地和自平衡电桥的交流电压激励输出模块50的GND端输出所述直流偏置电压，使得所述电源信号具有所述直流偏置电压的电压值的偏置。

同时，所述控制模块20控制所述直流电流源模块40向自平衡桥的待测器件DUT的两端施加直流偏置电流。作为示例性的，所述直流电流源模块40的直流电流源发生模块41接收所述电源模块10的供电，输出具有预设幅值的直流电流信号。然后，所述直流电流源模块40的直流电流源偏置接入模块42根据所述直流电流信号向待测器件DUT的两端施加所述直流偏置电流。

在工作过程中，所述控制模块20与上位机交互数据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种交流自平衡电桥的直流偏置输出***，其特征在于，包括：

电源模块，包括电力接口，所述电力接口用于连接于电网；

直流电压源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块，所述直流电压源模块用于向所述交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压；

直流电流源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于分别连接于所述自平衡电桥的待测器件的高电势端和低电势端，所述直流电流源模块用于向自平衡电桥的待测器件施加直流偏置电流；

控制模块，连接于所述直流电压源模块和直流电流源模块，用于控制所述直流电压源模块的直流偏置电压，以及用于控制所述直流电流源的直流偏置电流；

所述直流电压源模块包括：参考电压模块，连接于所述控制模块，用于在所述控制模块的控制下产生一参考电压；电压调整模块，连接于所述参考电压模块和控制模块，用于在所述控制模块的控制下，将所述参考电压调整为所述直流偏置电压；电源输出模块，包括公共端，所述公共端连接于所述电压调整模块，所述公共端还用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块的GND端，使得所述电源输出模块在所述直流偏置电压上向所述交流电压激励输出模块提供电源信号；

所述直流电流源模块包括：直流电流源发生模块，连接于所述电源模块，用于输出具有预设幅值的直流电流信号；直流电流源偏置接入模块，与所述直流电源源发生模块连接，用于连接于所述待测器件的两端，根据所述直流电流信号向所述待测器件施加直流偏置电流；

所述直流电流源发生模块包括直流电源，所述直流电流源偏置接入模块包括连接于所述直流电源的正极的第一电感和连接于所述直流电源的负极的第二电感，所述直流电源的正极通过所述第一电感连接于所述待测器件的高电势端，负极通过所述第二电感连接于所述待测器件的低电势端。

2.如权利要求1所述的交流自平衡电桥的直流偏置输出***，其特征在于：

所述电源模块包括多个电源转换电路，所述电源转换电路输入端连接于所述电力接口，输出端分别连接于所述直流电压源模块和直流电流源模块，以为所述直流电压源模块和直流电流源模块提供电源输入。

3.如权利要求2所述的直流自平衡电桥的直流偏置输出***，其特征在于：

所述控制模块包括至少一嵌入式处理器芯片或者FPGA芯片，所述控制模块还用于与上位机连接以交互数据。

4.一种直流自平衡电桥的直流偏置输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过电源模块向直流电压源模块和直流电流源模块供电；

控制模块控制所述直流电压源模块向自平衡桥的交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压；以及，

所述控制模块控制所述直流电流源模块向自平衡桥的待测器件的两端施加直流偏置电流；

所述控制所述直流电压源模块向自平衡桥的交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压的步骤包括：所述控制模块控制所述直流电压源模块的参考电压模块输出一参考电压；所述直流电压源模块的电压调整模块将参考电压模块输出的参考电压调整为所述直流偏置电压；

所述直流电压源模块的电源输出模块向所述交流电压激励输出模块提供电源信号，其中，所述电压调整模块向所述电源输出模块的公共地和自平衡电桥的交流电压激励输出模块的GND端输出所述直流偏置电压，使得所述电源信号具有所述直流偏置电压的电压值的偏置；

所述直流电流源模块向自平衡桥的待测器件的两端施加直流偏置电流的步骤包括：所述直流电流源模块的直流电流源发生模块接收所述电源模块的供电，输出具有预设幅值的直流电流信号；所述直流电流源模块的直流电流源偏置接入模块根据所述直流电流信号向待测器件的两端施加所述直流偏置电流。

5.如权利要求4所述的直流自平衡电桥的直流偏置输出方法，其特征在于，还包括：

所述控制模块与上位机交互数据。